Efficiënte tandem zonnecel met standaard silicium

Schematische weergave van een tandem cel bestaande uit een silicium PERC  en een perovskiet zonnecel

De huidige silicium zonnecellen bereiken de grens van hun kunnen. Een tandem zonnecel met een combinatie van verschillende halfgeleidende materialen lijkt hierop het antwoord. Onder aanvoering van de TU Eindhoven bijt een consortium zich sinds een jaar vast in de ontwikkeling van een perovskiet-silicium zonnecel. Nu is zo’n tandemconcept niet nieuw, maar zo’n tandem realiseren met industrieel beschikbare kristallijne siliciumcellen is wél zeer innovatief. De grootste uitdaging voor het consortium is om een type zonnecel te ontwikkelen dat de concurrentie aankan met de huidige cellen. Zowel in prestatie als in prijs. Een rendement van 25-27% zou al bijzonder goed nieuws zijn.

29,4%, dat is het theoretisch maximale omzettingsrendement dat silicium zonnecellen kunnen halen, weet projectleider Bart Macco van de TU Eindhoven. Met een praktische efficiëntie van ongeveer 23% komt de huidige generatie silicium zonnecellen al aardig in de buurt van die grens. Elke procent meer kost een enorme inspanning. Nu de eerste generatie zonnecellen na zo’n 20-30 jaar aan vervanging toe is en de zon voor de helft in onze elektriciteitsbehoefte moet gaan voorzien, is het tijd om op zoek te gaan naar alternatieven.

Perovskiet

De verwachtingen van een tandem van twee typen zonnecellen zijn hooggespannen. Het gaat dan vaak om de combinatie van de relatief jonge dunne filmtechnologie van het zonnecelmateriaal perovskiet en het meer traditionele PERC-silicium. Deze materialen zijn elk werkzaam in een ander deel van het lichtspectrum. Daardoor halen ze meer vermogen uit het blauwere licht dan een silicium zonnecel alleen en schroeven zo het totaalrendement op. Zo is in het lab op kleine schaal al een rendement van bijna 30% bereikt.

Helaas is het niet zo eenvoudig om perovskiet cellen te koppelen met de niet-elektrisch-geleidende toplaag van de standaard PERC-silicium zonnecellen. Daarom zoeken de meeste onderzoekers hun heil in zogeheten silicium heterojunctie (SHJ) cellen, die wel een geleidende toplaag hebben. Zo niet de TU Eindhoven. “Dat zijn niet alleen hardcore onderzoekers, ze maken ook meteen de vertaalslag naar de markt”, verklaart Frank Verhage, directeur van het Eindhovense bedrijf SoLayTec dat machines bouwt voor de productie van zonnecellen. “Alle productielijnen zijn ingericht op kristallijne silicium zonnecellen. Als je die bestaande capaciteit volledig kunt inzetten voor zeer efficiënte tandemcellen, scheelt dat enorm in de kosten.” En dus zijn de Eindhovense onderzoekers op zoek gegaan naar industriële partners en financiering om deze twee type zonnecellen wel goed op elkaar te laten aansluiten. Het resultaat is het project PERCspective dat een jaar geleden met financiering van TKI Urban Energy van start is gegaan. “Zonder deze subsidie hadden we dit onderzoek niet kunnen uitvoeren”, verzekert Macco. Naast de TU/e en SoLayTec zijn TNO, het onderzoeksverband Solliance, Tempress Systems en Hanwha Q CELLS bij het uitdagende project betrokken.

Machine van SoLayTec voor de productie van zonnecellen.

Sandwich

Het ei van Columbus is een ultradunne tussenlaag. Deze nanolaag wordt op de onderste zonnecel van silicium aangebracht. Daar bovenop komt een dunne zonnecel van perovskiet. Zoals een sandwich met een flinterdun plakje kaas. Na een jaar onderzoeken en testen lijkt een nanolaag van zinkoxide of nikkeloxide het meest geschikt, zowel wat betreft hechting als elektrische én optische koppeling. Naast deze bouwstenen, onderzoekt het consortium of bedrijven de zonnecellen in een standaard workflow kunnen produceren. Als half 2022 een demonstratiemodel is gebouwd, is het project voltooid.

De grootste uitdaging voor het consortium is om een type zonnecel te ontwikkelen dat de concurrentie aankan met de huidige cellen. Zowel in prestatie als in prijs. Een rendement van 25-27% zou al bijzonder goed nieuws zijn. “Dat betekent dat je met hetzelfde oppervlak en materialen 10-20% meer kWh aan elektriciteit kunt opwekken,” aldus Adriana Creatore, hoogleraar technische natuurkunde aan de TU Eindhoven. Een concurrerende prijs is een behoorlijke opgave. “Gelukkig is perovskiet gebaseerd op goedkope en niet-schaarse materialen, waarvan je bovendien maar weinig nodig hebt om zonlicht te absorberen. Daar staat tegenover dat water de stabiliteit van perovskiet zonnecellen nadelig kan beïnvloeden. Daarom is ook veel onderzoek nodig naar de bescherming en stabiliteit van perovskiet zonnecellen.” Of dezelfde barrière van nanolagen hiervoor ook uitkomst kan bieden, is eveneens onderwerp van onderzoek..

Puzzelstukjes

Het doel van dit project is om te laten zien dat de PERC-cel geschikt gemaakt kan worden voor tandem technologie en daarbij industrieel geproduceerd kan worden. De onderzoekers weten dat nog genoeg puzzelstukjes te leggen zijn voordat elk uur 10.000 betrouwbare tandem zonnecellen van de band rollen. Maar uiteindelijk is dit een uitgelezen kans voor de Nederlandse industrie om haar positie in de PV-markt te versterken.

Meer informatie over dit project vindt u hier.